المرشحات Filters

المرشحات أو ما تسمى بـ الفلاتر filters مقالنا اليوم, فما هي المرشحات ؟ وما أنواع المرشحات؟ وما مكونات دارة كل نوع من المرشحات؟ وما مبدأ عمل كل نوع ؟ هذه الأسئلة وغيرها ستعرف الإجابة عنها في هذا المقال.

ما هي المرشحات أو الفلاتر؟

هي دوائر كهربائية تعمل على تمرير ترددات معينة وتمنع مرور الأخرى وتستعمل في جميع ميادين الاتصالات والهندسة الالكترونية ولتبسيط الأمر يمكننا تخيل عمل المرشح كالغربال (المصفاة) تماماً؛ إذ يقوم بالسماح بمرور بعض أجزاء المادة ويمنع مرور الأجزاء الأخرى أي أنه يقوم بعملية تصفية.

المرشح يمكن أن يكون:

1- نشطاً (فعالاً): ويتكون المرشح حينها من: مقاومات,مواسعات,مكبرات عمليات وتستعمل عند ترددات أصغر من 1 ميجا هيرتز.
2- سلبياً (غير فعال): ويتكون المرشح حينها من: مقاومات,مواسعات,ملفات وتستعمل عند ترددات أكبر من 1 ميجا هيرتز.

أنواع المرشحات:

هناك عدة أنواع للمرشحات وهي:

1- مرشحات تمرير الترددات المنخفضة (low-pass filters):

تسمح بمرور الإشارات من التردد صفر (تيار ثابت) وحتى تردد بقيمة تردد القطع F_oh – high cutoff Frequency. لاحظ الصورة التالية:

يمكن عمل دارة مرشح تمرير الترددات المنخفضة بشكلين مختلفين كما يلي:

أ – الشكل الأول: دارة تتكون من مقاومة ومواسع على التوازي:

نحن نعلم بأن العلاقة بين ممانعة المواسع (المكثف) (X_c) والتردد (F) هي علاقة عكسية؛ أي أن ممانعة المواسع تكون كبيرة في حالة الترددات المنخفضة والعكس صحيح. وذلك من خلال العلاقة التالية:

حيث أن:

Xc : هي ممانعة المواسع أو المكثف وتقاس بوحدة الأوم Ω.
f : التردد بوحدة الهيرتز Hz.

C : مواسعة المواسع بوحدة الفاراد أو المايكرو فاراد µF.

لذلك تكون مقاومة المواسع صغيرة جدا في حالة الترددات العالية لذلك نعمل طريق فرعي للترددات العالية ويعود للخلف أي أننا نضعه على التوازي مع الحمل حتى تمر فيه الترددات العالية وبذلك تكون مقاومة المواسع صغيرة جداً فيمر فيه التيار ولا يذهب إلى المخرج V_out. فكما نعلم فإن التيار يفضل الطريق الأسهل (أي الطريق الذي مقاومته أقل).

ومن الجهة الأخرى, تمر الترددات المنخفضة نحو المخرج V_out لأن الترددات العالية تعود للخلف كما ذكر سابقا.

ب – لاحظ الشكل الثاني لدارة مرشحات تمرير الترددات المنخفضة: دارة تتكون من ملف ومقاومة على التوازي.

ونعلم أيضاً بأن العلاقة بين ممانعة الملف (XL) والتردد (F) هي علاقة طردية. أي أن ممانعة الملف للترددات تزداد بازدياد التردد. وذلك من خلال العلاقة التالية:

X_L = 2πFL

حيث أن:

L :  محاثة الملف وتقاس بالهنري H.

وجود الملف (L) على التوالي يعني أننا نسمح بمرور الترددات المنخفضة إلى المخرج V_out ونمنع الترددات العالية.

التطبيقات العملية على هذا النوع من المرشحات:
أنها تستخدم على إشارات المدخلات للسبوفورز (Subwoofer) – (المكبر الكبير في مكبر الصوت المسؤول عن إصدار الترددات المنخفضة كأصوات الانفجارات على سبيل المثال) ولمختلف أنواع المكبرات لحجب النغمات المرتفعة التي لا يمكنها معالجتها بفاعلية.

2- مرشحات تمرير الترددات العالية (High-pass filters):

تسمح بمرور الإشارات التي ترددها أعلى من تردد القطع Fol – low cutoff Frequency وتمنع مرور الإشارات التي ترددها أقل. لذلك يمكن القول بأن مرشحات الترددات العالية معاكسة لمرشحات الترددات المنخفضة.

لاحظ ما يلي:

يمكن عمل دارة مرشح تمرير الترددات العالية على نحوين مختلفين كما يلي:

أ – الشكل الأول: دارة تتكون من مواسع ومقاومة متصلة على التوازي:

كما ذكرنا سابقاً فإن المواسع يرحب جداً بالترددات العالية فعند وضع المواسع (C) على التوالي فإنه يسمح بمرور الترددات العالية إلى المخرج V_out ويمنع مرور الترددات المنخفضة.

ب – الشكل الثاني: دارة تتكون من مقاومة وملف متصل على التوازي:

وجود الملف (L) على التوازي يعني أننا نتخلص من الترددات المنخفضة ونسمح للترددات العالية بالمرور إلى المخرج V_out.

ومن تطبيقات مرشحات تمرير الترددات العالية: أنها تستخدم في دوائر الاستقبال في الراديو للتخلص من الترددات التي قد تشوش على الإشارة المراد إلتقاطها وتكبيرها.

3- مرشحات تمرير الحزمة (band-pass filters):

تسمح بمرور الإشارات في مدى ترددات محدد (المدى بين الترددين Fol و Foh) وتمنع مرور الإشارات خارج هذا النطاق أو المدى.

وقد تكون مرشحات تمرير الحزمة بأحد الشكلين التاليين:

المواسع الأول (C1) على التوالي مع الإشارة سيمنع الترددات المنخفضة جداً من الوصول إلى المخرج V_out, بينما المواسع الثاني (C2) سيمنع الترددات العالية جداً من الوصول إلى المخرج V_out.

والشكل الثاني توضحه الصورة التالية:

الملف الأول (L1) على التوازي مع الإشارة سيمنع الترددات المنخفضة جداً من الوصول إلى الحمل Rl_oad, بينما الملف الثاني (L2) سيمنع الترددات العالية جداً من الوصول للحمل.

استنتاج:

يبدو أنك لاحظت مما سبق بأن الدوائر التي تحتوي ملفات على التوالي تكافئ الدوائر التي تحتوي مواسعات على التوازي والعكس صحيح.

ومن التطبيقات العملية على هذا النوع من المرشحات: أجهزة الإستقبال والإرسال اللاسلكية, واستخدامها موجود في علوم الغلاف الجوي.

4- مرشحات إيقاف أو منع الحزمة (band-stop filters):

وهي مرشحات تمنع مرور الإشارات في نطاق أو مدى ترددات محدد (المدى بين الترددين FL و FL-) وتسمح بمرور الإشارات خارج هذا النطاق وهذا يعني بأن هذا النوع هو معاكس تماما للمرشحات band-pass filters. لاحظ أن H اختصار High وL اختصار Low.

من هنا نلاحظ وجود الملف (L) والمكثف (C) على التوالي لذلك ستكون ممانعتهما قليلة جدا عند الرنين (تردد تكون فيه ممانعة الملف والمواسع متساوية) مما يمنع وصول التيار إلى Vo أي أنها منعت وصول إشارة الرنين إلى الحمل. لاحظ ما يلي:

ومن استعمالاته: أنه يستخدم في الراديو حيث أن يمنع بث قنوات ذات ترددات خارج النطاق المحدد.

ختاماً وبرغم التطبيقات الشاسعة لهذه المرشحات إلا أنه لا يمكننا تصور المرشحات على أنها قادرة ببساطة على السماح بتمرير تردد مرغوب ومنع مرور تردد غير مستحب عند القيمة المطلوبة تماماً.
يجب علينا الأخذ بعين الإعتبار بأننا لن نحصل على القيمة المرادة دائماً. ويعود السبب في ذلك إلى وجود جانب من الظروف التي لا تسمح بأن تكون المرشحات مثالية (ideal).

المراجع:

1. “Chapter 8: Analog Filters”. التصميم الخطي الأساسي .USA: Analog Devices Inc. 2006 .
2. الإلكترونيات المعاصرة الجزء الثاني (الدوائر الإلكترونية).

أصدقاؤنا, لا تترددوا في طرح اسئلتكم واستفساراتكم بالتعليقات, نحن بانتظارها وبانتظار آرائكم. لا تنسوا مشاركة رابط المقال مع أصدقائكم.